Ликбез RnD.CNews: как работают ускорители частиц

Ускорители частиц позволяют получить заряженные элементарные частицы или ионы высокой энергии. Для сравнения: фотон с длиной волны 1 нм обладает энергией 1240 эВ (электронвольт), а Большой адронный коллайдер (БАК) позволяет сталкивать протоны с суммарной энергией 13 ТэВ (тераэлектронвольт), то есть 13 триллионов электронвольт.

Ускорители заряженных частиц обычно ассоциируются с коллайдерами, научными исследованиями и открытием новых частиц. Но на самом деле этот класс устройств применяется не только в науке, но также в медицине и промышленности и даже в быту. Сфера применения зависит от мощности ускорителя. 

Например, электронно-лучевые трубки в кинескопных телевизорах – это ускорители частиц низкой интенсивности. Более мощные промышленные и медицинские ускорители применяются для производства микросхем для полупроводников, материалов для искусственных суставов, стерилизации медицинских инструментов, лечения онкологических заболеваний и других целей.

Наконец, самые мощные установки находятся в крупных научных центрах и используются для исследований в областях ядерной физики и физики элементарных частиц. Они позволяют расширять наши представления об устройстве Вселенной и открывать новые частицы. О них мы и будем говорить ниже.

Так, в России в 2023 году ожидается ввод в эксплуатацию ускорителя тяжелых ионов NICA (Nuclotron-based Ion Collider Facility) в Дубне с максимальной энергией 4,5 ГэВ (гигаэлектронвольт или миллиардов электронвольт). Длина кольца ускорителя — 336 м.

Крупнейшим научным ускорителем частиц на сегодняшний день остается Большой адронный коллайдер в ЦЕРН с длиной кольца 27 км. Однако из-за высокой мощности в БАК невозможно полноценно наблюдать фазовый переход барионной материи в кварк-глюонную плазму и обратно, а это одна из главных загадок современной физики. В NICA энергии соударения частиц примерно в 1000 раз меньше, чем в БАК, и как раз за счет этого в NICA ученые планируют воссоздать условия состояния, в котором пребывала наша Вселенная в первые секунды после Большого Взрыва.

Принцип работы ускорителей

Внешне ускоритель представляет собой трубу, внутри которой создан вакуум. Это решение позволяет избавиться от воздуха, пыли и любых препятствий, которые могут возникать на пути частиц.

Внутри ускорителя находится источник, производящий заряженные частицы, например, протоны или электроны, а также устройство (либо несколько устройств), которое генерирует статическое или колеблющееся электрическое поле. Именно оно придает частицам ускорение, разгоняет их до нужных энергий.

Заряженные частицы движутся в вакууме по трубе, где на них воздействует система электромагнитов. Магнитное поле за счет силы Лоренца направляет пучки частиц по заданной траектории.

С точки зрения конструкции существует множество вариантов ускорителей, но можно выделить две большие группы:

• линейные – пучок заряженных частиц движется по прямой;

• циклические – пучки частиц движутся по окружностям или другим замкнутым кривым.

Циклические ускорители позволяют пропускать частицы через ускоряющие промежутки множество раз, а также делают возможным столкновение пучков частиц. К таким установкам относятся резонансные ускорители с переменным магнитным полем, например, синхротрон и синхрофазотрон, а также ускорители с постоянным магнитным полем – фазотрон и циклотрон.

Так, в России в Новосибирске в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) работают два из семи действующих в мире коллайдера с циклическими ускорителями: ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М с энергией 1 и 6 ГэВ соответственно.

Так, установка ВЭПП-4 позволяет проводить эксперименты со встречными электрон-позитронными пучками, а ускоритель ВЭПП-2000 используется, в основном, для исследования физики легких мезонов.

В линейном ускорителе частицы проходят через электрическое поле только один раз, а в циклическом таких зон ускорения может быть много.

При этом частицы, как правило, направлены на определенную цель, например, тонкий слой металлической фольги. Или же могут быть запущены два пучка частиц, которые должны столкнуться в определенной точке.

В момент прохождения цели частицы и их излучение фиксируются специальными детекторами, установленными внутри трубы.

Будущее ускорителей

Существует мнение, что на данный момент ускорители достигли максимума своих возможностей. Дальнейшее развитие возможно, только если будут созданы не кольцевые, а линейные коллайдеры или изобретен более эффективный способ ускорения частиц. Надежды связываются с лазерным или лазерно-плазменным ускорением.

Так, в России, помимо коллайдера NICA, планируется запуск еще одной крупной установки – СКИФ (Сибирского кольцевого источника фотонов). Она состоит из линейного ускорителя и кольцевого бустера с длиной кольца 476 метров.

Максимальная проектная энергия частиц будет достигать 3 ГэВ, но уже в 2023 году после запуска первой очереди линейного ускорителя СКИФ специалистам удалось разогнать пучок электронов до 30 МэВ.